11. Cin.tica ascensi.n - Universidad de Oviedo

Trabajos de Geología, Univ. de Oviedo, 24 : 177-184 (2004)
Cinética de la ascensión del agua por capilaridad en la
Arenisca de La Marina (Jurásico Superior de Asturias)
V. G. Ruiz de Argandoña1, L. Calleja1, L. M. Suárez del Río1,
A. Rodríguez-Rey1 y C. Celorio2.
Dpto. de Geología (Universidad de Oviedo). Jesús Arias de Velasco s/n. 33005-Oviedo (Asturias).
1
Servicio de Radiología. Hospital Álvarez-Buylla (SESPA). 33616-Mieres (Asturias).
2
Resumen: Se estudia el movimiento del agua por capilaridad en una arenisca utilizada como roca
ornamental y conocida como Arenisca de la Marina (variedad amarilla) del Jurásico asturiano. Para la caracterización textural se han realizado distintos ensayos: velocidades de propagación de
ondas elásticas, porosimetría por inyección de mercurio y tomografía axial computerizada de rayos X. Los resultados se han aplicado a la modelización e interpretación de la cinética de absorción de agua por capilaridad, utilizándose la tomografía de rayos X para visualizar el fenómeno y
calcular un radio de acceso capilar. Todos los resultados y observaciones realizadas son concordantes con su comportamiento anisótropo debido a la presencia de anillos de Liesegang perpendiculares a la estratificación.
Palabras clave: areniscas, Jurásico, roca ornamental, capilaridad, ondas elásticas, tomografía de
rayos X.
Abstract: The water movement by capillarity inside La Marina Sandstone (yellow variety) of the
Jurassic of Asturias, used as dimension stone, is studied. The rock texture has been characterized
under different techniques: elastic wave velocity, Hg porosimetry and X-ray computed
tomography. Using the obtained results the modelling and interpretation of the water absorption
kinetics due to capillarity have been done. The X-ray tomograhy allows to image the absorption
process and to calculate the size of the radius of capillary access. All the results and observations
confirm the anisotropic behaviour of the capillarity due to the presence of Liesegang rings
perpendicular to the bedding surfaces.
Key words: sandstones, Jurassic, dimension stone, capillarity, elastic waves, x-ray computed
tomography.
La circulación de fluidos por capilaridad en las rocas es
uno de los principales fenómenos involucrados en los
procesos de deterioro de las mismas cuando se utilizan
como materiales de construcción, ya sea en forma de sillares o plaquetas de revestimiento.
Clásicamente los estudios sobre esta propiedad vienen
realizándose únicamente a partir de los datos obtenidos
tras la realización de ensayos de capilaridad, en los cuales muestras de forma geométrica bien definida (cilindros o prismas de base cuadrada) se apoyan sobre un
material poroso (placa cerámica porosa, papel de filtro,
etc.) saturado en agua y sumergido en la misma; con la
realización de sucesivas medidas de la variación del pe-
so de la muestra por la absorción del agua desde la base
en contacto con ella, se determina, tanto la cinética del
proceso, como la cantidad total de agua absorbida.
En este trabajo, además de los estudios clásicos, se han
utilizado otras técnicas complementarias con el fin de
tener una mayor comprensión del proceso. Así, con el
fin de tener un mejor conocimiento del sistema poroso y
tratar de realizar un modelo tridimensional de las características texturales de la roca, se han realizado observaciones directas mediante tomografía axial computerizada de rayos X durante el ensayo de absorción, se han
medido las velocidades de propagación de ondas ultrasónicas en tres direcciones ortogonales y se han realiza-
178
V. G. RUIZ DE ARGANDOÑA, L. CALLEJA, L. M. SUÁREZ DEL RIO, A. RODRIGUEZ REY Y C. CELORIO
Tabla I. Densidad y porosidad abierta de los materiales estudiados.
Muestra
X
Y
Z
Densidad de la roca (kg/m3)
1950
1900
1910
Porosidad abierta (%)
21,6
23,5
23,7
do ensayos de porosimetría por inyección de mercurio.
Todos estos ensayos vienen utilizándose, algunos desde
hace ya tiempo, para la caracterización de materiales rocosos, tal como puede verse, por ejemplo, en: Calleja et
al. (1990), Calleja (1991), Ruiz de Argandoña et al.
(1999 y 2003), Bernard et al. (2000), Sousa et al. (2002)
y Géraud et al. (2003). El estudio se ha centrado en una
de las dos variedades de la arenisca Jurásica de la Formación Lastres empleada antiguamente como material
de construcción de edificaciones y monumentos asturianos (Santa María de Valdediós, Palacio de Revillagigedo, Santa María de la Oliva, etc.) y comercializada en la
actualidad como piedra ornamental.
Material y Método
Hoy en día existen en activo dos pequeñas canteras (El
Nene y Los Gemelos, en el concejo de Villaviciosa) de
las que se extraen materiales de la Formación Lastres
(Jurásico superior) que se comercializan con los nombres de “Arenisca de la Marina”, “Arenisca Mariñana” o
“Piedra arenisca” (Suárez del Río et al., 2002a). Existen
dos variedades, una gris y otra amarilla, centrándose el
presente trabajo en esta última variedad.
Macroscópicamente destaca la presencia de anillos de
Liesegang que, en el bloque estudiado, son perpendiculares a la estratificación y que le confiere un posible
comportamiento anisótropo respecto a algunas propiedades. Microscópicamente son areniscas de grano medio y se clasifican como sublitarenitas (Pettijohn et al.,
1972). Una amplia descripción macro y microscópica
puede verse en Suárez del Río et al. (2002b).
Para estudiar si la capilaridad presentaba un comportamiento anisótropo, se han tallado probetas cilíndricas
de aproximadamente 80 mm de altura y 40 mm de diámetro, orientadas en tres direcciones ortogonales; a las
probetas extraídas perpendicularmente a los anillos de
Liesegang (y paralelas a la estratificación) se les ha
asignado la letra Z y X e Y a las otras dos direcciones
perpendiculares.
Previamente a los ensayos de capilaridad, y debido a
que las características de los espacios vacíos son las que
condicionan el movimiento del agua en el seno de los
materiales rocosos, se ha determinado la porosidad
abierta así como el radio de acceso de poro mediante
porosimetría por inyección de mercurio.
Figura 1. Distribución de los radios de acceso de poro obtenida por
porosimetría de inyección de mercurio.
Para caracterizar las anisotropías presentes en las muestras y su posible relación con el movimiento del agua
por capilaridad, se ha medido la velocidad de propagación de ondas longitudinales y transversales en todas las
probetas, calculándose también el módulo de Young y
la relación de Poisson dinámicos.
Los ensayos de capilaridad se han llevado a cabo siguiendo la norma UNE-EN-1925 (1999), con algunas
variaciones que se especifican en el apartado correspondiente.
Durante la realización de algunos ensayos de ascensión
capilar, se ha hecho un seguimiento mediante tomografía axial computerizada de Rayos-X (TAC), con la finalidad de comprobar la viabilidad de la técnica para visualizar el fenómeno y determinar las posibles relaciones que pueda existir entre el movimiento del agua y la
textura de la roca.
Caracterización petrofísica de la Arenisca de la
Marina
Para la determinación de la densidad y la porosidad
abierta se ha seguido la norma UNE-EN-1936 (1999);
los resultados obtenidos se expresan en la Tabla I.
En cuanto a la porosidad abierta, las variaciones existentes entre las distintas probetas son pequeñas y pueden
considerarse como debidas a las inhomogeneidades propias de los materiales rocosos.
En los estudios para la determinación de los radios de
acceso de poro se utilizó un porosímetro de mercurio
Micromeritics Auto Pore III, y un tamaño de muestra cilíndrica de aproximadamente 25 mm de altura y 20 mm
de diámetro. Los resultados aparecen en la Figura 1, en
la que puede verse que la mayor parte de los radios de
acceso de poro y el mayor porcentaje de la porosidad de
la roca corresponde a los tamaños comprendidos entre 5
y 20 µm; los datos estadísticos aparecen en la Tabla II.
CINÉTICA DE LA ASCENSIÓN DEL AGUA POR CAPILARIDAD EN LA ARENISCA DE LA MARINA
179
Tabla II. Datos estadísticos obtenidos de la porosimetría de mercurio.
1,28
Superficie específica (m2/g)
Radio de acceso de poro (media, µm)
0,23
Radio de acceso de poro (mediana, µm)
12,75
Para el estudio de las anisotropías mediante las velocidades de propagación de ondas ultrasónicas, se ha usado un equipo OYO SONICVIEWER, utilizándose dos
parejas de transductores de titanato de bario (uno para
las ondas longitudinales y otra para las transversales),
con una frecuencia de resonancia nominal de 200 y
100 kHz respectivamente; los resultados aparecen en la
Tabla III.
La existencia de variaciones texturales quedan puestas
claramente de manifiesto en los valores obtenidos, pudiéndose confeccionar un modelo de propagación de
ondas acorde con la realidad de las variedades rocosas
estudiadas.
Figura 2. Modelo para las velocidades de propagación de ondas elásticas. En trazo continuo se representa la estratificación y en trazo con
puntos los anillos de Liesegang.
Así, no existe una marcada anisotropía en la velocidad,
pero si una aparente contradicción entre estos valores y
los datos de la porosidad obtenidos en cada muestra. Al
valor de mínimo de porosidad (muestra X), le corresponden las más bajas velocidades, tanto de ondas longitudinales como transversales; esto, que parece ser una
contradicción evidente, se justifica por la presencia de
los anillos de Liesegang y la significación de su génesis
y su orientación respecto a la estratificación.
en la dirección perpendicular a Z, la velocidad es intermedia entre las otras dos: se ve favorecida al viajar las
ondas paralelas a la estratificación y apenas se ven influenciadas por la disposición de los anillos de Liesegang, ya que, si bien el tránsito por los mismos significaría un aumento de la velocidad, esto se ve contrarrestado por el paso por las zonas descalcificadas que
bordean estos anillos. Estos resultados y modelo de
comportamiento son, como se verá más adelante, coincidentes también con la cinética de ascensión de agua
por capilaridad.
Tabla III. Velocidad de ondas longitudinales (VL), transversales (VT),
módulo de Young (Edin) y relación de Poisson dinámicos (νdin).
Capilaridad
Muestra
X
Y
Z
VL (m/s)
1983
2190
2097
VT (m/s)
1309
1375
1355
Edin (GPa)
32,7
24,1
28,3
νdin (-)
0,11
0,18
0,14
El modelo que se propone para la velocidad de propagación de ondas (Fig. 2), pone en evidencia que la contradicción es sólo aparente: la velocidad en la dirección Y
es la más alta puesto que las ondas avanzan más rápidamente por los anillos de Liesegang, más enriquecidos en
óxidos de hierro (que tienen una mayor velocidad de
propagación de ondas que el cuarzo, los feldespatos o la
calcita de las zonas interanulares) y no se ven frenadas
por la estratificación.
En la dirección de avance perpendicular a X, las ondas
viajan por los anillos, lo que haría que su velocidad
fuese alta, pero al tener que atravesar los planos de estratificación se retardan, dando la velocidad mínima;
Metodología experimental
El ensayo de capilaridad se ha llevado a cabo siguiendo
la Norma Europea UNE-EN 1925 (1999), con un dispositivo que mantenía constante el nivel de agua en el recipiente donde se realizó el ensayo; además, para no tener
que mover la probeta al realizar las sucesivas pesadas,
se diseñó y construyó un dispositivo que permitía pesarlas durante el ensayo sin manipularlas, mejorando considerablemente la fiabilidad del mismo. En las Figs. 3 y 4
pueden verse tanto el sistema para mantener el agua
constante, como el dispositivo de pesada creado para los
ensayos de capilaridad.
La utilización de este dispositivo ha hecho que la probeta estuviera suspendida y en contacto con el agua, en
vez de apoyada sobre un material poroso, tal como indicaba la norma de ensayo.
Los estudios realizados mediante tomografía axial computerizada de rayos-X se han realizado con un scanner
helicoidal General Electric HiSpeed QX/i con una resolución espacial de 450 µm y a 120 kV y 120 mA.
180
V. G. RUIZ DE ARGANDOÑA, L. CALLEJA, L. M. SUÁREZ DEL RIO, A. RODRIGUEZ REY Y C. CELORIO
Figura 3. Equipamiento para la
realización del ensayo de capilaridad en probetas de rocas.
Figura 4. Detalle del sistema de fijación de las muestras para la medida de la variación del peso durante el ensayo de capilaridad.
CINÉTICA DE LA ASCENSIÓN DEL AGUA POR CAPILARIDAD EN LA ARENISCA DE LA MARINA
181
Tabla IV. Valores de los coeficientes de capilaridad para las muestras
ensayadas.
Muestra
X
Y
Z
C1 (g.cm2.s -1/2)
0,043
0,060
0,053
C2 (g.cm2.s -1/2)
0,022
0,034
0,019
C3 (g.cm2.s -1/2)
--
--
0,024
Con el fin de mejorar la visión de la ascensión capilar,
en lugar de utilizar agua, se ha utilizado un contraste
usado habitualmente en la práctica médica (Optiray 240
®) disuelto al 10% en agua.
Resultados y Discusión
Para las rocas porosas, como es este caso, el incremento de masa por unidad de área (Ws) cuando penetra el
agua dentro de las muestras por capilaridad sigue aproximadamente la siguiente relación: Ws = C.t1/2, donde C
es el coeficiente relativo a la cinética del proceso antes
de llegar al tramo de estabilización (coeficiente de ascensión capilar o de capilaridad) y t el tiempo. Las curvas de ascensión capilar correspondientes a los tres tipos de probetas ortogonales (X, Y y Z) pueden verse
en la Fig. 5.
En el estudio detallado de las curvas y del coeficiente C
pueden distinguirse generalmente dos etapas caracterizadas por presentar distintas pendientes, siendo la primera más rápida (C1) y la posterior más lenta (C2); este
es el comportamiento que presentan las muestras X e Y,
mientras que en la muestra Z aparece además una tercera etapa (C3). Los valores de dichos coeficientes aparecen en la Tabla IV.
A la vista de los resultados se observa que existe una
cierta anisotropía en la cinética de la capilaridad. Así,
en las primeras etapas, la velocidad de ascenso en las
muestras X es más lenta que en las otras dos direcciones, siendo la dirección Y las más rápida de las tres;
sin embargo a medida que avanza el ensayo, las velocidades de las muestras X e Y tienden a igualarse,
manteniendo la dirección X una velocidad más o menos constante hasta la finalización del ensayo; sin
embargo la muestra Z presenta una aceleración en la
última etapa del mismo. La dirección Y continúa
siendo la más rápida durante todo el ensayo hasta su
finalización.
Se observa cómo las muestras Z e Y, debido a poseer
una mayor porosidad abierta que la muestra X, alcanzan
un mayor incremento de masa por unidad de área; una
vez alcanzado casi el estado de equilibrio, todas las
muestras presentan una tendencia similar.
Figura 5. Aspecto de la curva de incremento de masa por unidad de
área frente a la raíz cuadrada del tiempo. Muestras X, Y y Z.
Como se ha comentado previamente, se ha efectuado
un seguimiento de la ascensión del agua por capilaridad mediante Tomografía Axial Computerizada de Rayos-X. En la Fig. 6, puede verse un mosaico de las
imágenes al comienzo, mitad y final del ensayo, correspondientes a la sección central longitudinal de las
muestras cilíndricas.
Dichas imágenes explican y corroboran muchas de
las interpretaciones anteriormente realizadas. Así, en
182
V. G. RUIZ DE ARGANDOÑA, L. CALLEJA, L. M. SUÁREZ DEL RIO, A. RODRIGUEZ REY Y C. CELORIO
Figura 6. Imágenes de tomografía axial computerizada de rayos-X de
tres etapas del ensayo de absorción capilar (a: inicio, b: a los 20 minutos y c: al final del ensayo). Muestras X, Y y Z (alto de cada probeta
80 mm, ancho 40 mm).
primer lugar, puede verse que inicialmente (Fig. 6,
fila a) la muestra X presenta un cierto retraso en la
velocidad de ascenso capilar con respecto a las
muestras Y y Z; llegado un cierto momento (Fig. 6,
fila b), las velocidades en X y Z se igualan, mientras
que la Y aunque no crece mucho su velocidad, continúa siendo la más rápida. Sin embargo, como se puede apreciar en la radiografía, en la variedad Z el agua
asciende más rápidamente por una zona de mayor
porosidad (aspecto más oscuro en la imagen, que por
la geometría y la disposición se interpreta como un
“burrow”).
Figura 7. Evolución del ascenso del agua por capilaridad respecto al
tiempo, medida en la izquierda, centro y derecha de la probeta. Muestras X, Y y Z.
En la etapa final del ensayo (Fig. 6, fila c), la ascensión
más rápida sucede en la muestra Y, a continuación en la
Z y, por último, en la X; es necesario resaltar que en la
muestra Z el frente de avance del agua no es horizontal
y por ello, aunque el agua alcance en una parte la superficie, continúa subiendo por las otras zonas de la muestra, llegando a completar el ascenso aproximadamente a
la vez que en la variedad X.
Por otra parte, resolviendo la ecuación de Hagen-Poiseuille, la altura de ascenso (L) en el tiempo (t) del me-
183
CINÉTICA DE LA ASCENSIÓN DEL AGUA POR CAPILARIDAD EN LA ARENISCA DE LA MARINA
Tabla V. Valores para el coeficiente capilar (B); coeficiente de correlación (R2) y radios de poro (Rcap) de las muestras. XI: parte izquierda de la
muestra, XC: centro y XD: derecha. Lo mismo para las muestras Y y Z.
Muestra
XI
XC
XD
YI
YC
YD
ZI
ZC
ZD
B(mm/s1/2)
1,65
1,72
1,67
1,87
2,08
2,09
1,50
1,79
1,76
R2 (--)
0,98
0,96
0,98
0,98
0,96
0,97
0,98
0,94
0,96
µm)
Rcap (µ
6,77
7,38
6,90
8,69
10,91
10,91
5,62
8,00
7,71
nisco de un fluido por capilaridad a través de una sección circular es:
L = B. t1/2 donde, B = (Rcap.σwa .cos θ/2η)1/2
B es la pendiente de la curva de L frente a t1/2, Rcap el radio del capilar, σwa la tensión superficial de la interfase
fluido-aire, θ el ángulo de contacto y η la viscosidad del
agua. Determinando experimentalmente el coeficiente
B, es posible calcular el radio de poro efectivo del capilar a través de la ecuación:
Rcap = 2 η B2/ σwa .cos θ (1)
La representación de las alturas del frente del agua medidas en la parte izquierda, del centro y derecha de cada
probeta respecto a la raíz cuadrada del tiempo pueden
verse en la Fig. 7.
En la muestra X el agua alcanza la superficie simultáneamente en las tres zonas, mientras que en la Y puede
verse cómo el agua llega más rápidamente a la superficie en la parte central y derecha que en la izquierda; en
la muestra Z se observa que el frente del agua avanza
más rápidamente por el centro y la derecha, debido a la
presencia del “burrow” anteriormente citado.
En la Tabla V, se muestran los coeficientes B y R2 correspondientes a las rectas de regresión de las relaciones
que aparecen en la Figura 7, así como los respectivos radios de poro (Rcap) calculados a partir de la fórmula (1).
Es necesario resaltar que estos valores calculados son
generalmente menores que el radio de poro determinado
mediante otras técnicas; no obstante nos sirven para, de
una manera comparativa, determinar la variabilidad
existente y su relación con la textura. En este caso los
valores calculados (entre 5,6 y 10,9 mm) están dentro
del orden de magnitud de los determinados por porosimetría de inyección de mercurio (mediana 12,7 mm).
Los radios capilares determinados en las tres zonas estudiadas son bastante similares en cada una de las mues-
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tras, especialmente en las X e Y, dentro de la variabilidad existente en este tipo de materiales rocosos. Por otra
parte, la media de los radios capilares determinados en
la dirección Y son mayores que los calculados en las
otras dos direcciones; dentro de los de la dirección Z,
los de la zona del centro y la derecha son mayores (debido a la presencia del “burrow” anteriormente mencionado), que los de la izquierda.
Conclusiones
Se ha determinado un comportamiento anisótropo de la
cinética de ascensión por capilaridad del agua en muestras de una variedad amarilla de la arenisca jurásica de
la Formación Lastres. La anisotropía de esta roca ha sido también puesta de manifiesto mediante la realización
de estudios con ultrasonidos, obteniéndose modelos de
comportamiento perfectamente coherentes entre ambas
propiedades.
Por otra parte se han aplicado técnicas de tomografía
axial computerizada de Rayos-X, mostrándose como
muy adecuadas para visualizar el fenómeno de ascensión capilar en materiales rocosos y ha servido para relacionar dicho fenómeno con variaciones texturales presentes en las rocas. Mediante las medidas de la altura alcanzada por el agua en su ascenso por capilaridad, obtenidas a partir de las imágenes de tomografía, se puede
determinar, con gran aproximación, el radio de poro
efectivo capilar.
Agradecimientos
A la Consejería de Educación y Cultura del Principado de Asturias,
por la financiación de esta investigación (Proyectos PB-EJS01-24 y
PC-CIS01-56). Al Ministerio de Ciencia y Tecnología, Acción integrada España-Francia: MCT-02-ACC-HF2001-0083.
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